Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Pulsuri laser ultrascurte Ce știm despre ele? Cum le folosim? Pentru ce sunt utile?

26 Iulie 2021



Viteza de propagare a luminii în vid este de 3•108 m/s, adică 300 000 km/s, sau, altfel exprimat, 0.3 micrometri/femtosecundă. O femtosecundă (fs) este 10-15 s. Un puls laser în fs conține doar câteva oscilații ale câmpului electric (descrierea în timp), iar în timpul propagării îl putem imagina ca pe un „disc” de câțiva mm diametru și de grosimea unei foi de hârtie foarte subțiri. Pe această scară de timp se desfășoară procesele elementare în natură. Reacțiile chimice se întâmplă pe scara de timp a femtosecundelor, iar pentru descoperirea și demonstrația acestui adevăr Ahmed Zewail a primit premiul Nobel în chimie în 1999 „pentru femtochimie”.

La fel, în modelul Bohr al atomului, electronul unui atom de hidrogen înconjoară nucleul (protonul) în 150 attosecunde (1as = o miime de fs). Pulsuri de lumină atât de scurte permit observarea mișcării la scară de timp foarte rapidă, de exemplu cum se mișcă electronii într-o moleculă sau cum se formează legăturile chimice. La momentul actual, cel mai scurt puls de lumină generat controlat de om are durată de 43 attosecunde. Procesul de bază prin care se obțin pulsuri de attosecunde în domeniul spectral extreme-UV (XUV) se numește generare de armonice superioare (HHG). Un puls inițial foarte intens de câteva (max. zeci) fs interacționează cu atomii dintr-un mediu de gaz rar pe care îi ionizează, electronii liberi sunt accelerați în câmpul laser, apoi recombinați cu atomul de proveniență. Energia cinetică a electronilor este radiată sub forma unui foton de energie în XUV. Acest proces este unul neliniar, coerent, dar foarte ineficient. În cazul în care mediul gazos de interacțiune este într-un ghid de undă de dimensiuni ajustabile, se poate obține eficiență sporită a radiației XUV. Exact acest principiu este exploatat în proiectul X-PIC pe care îl vom prezenta în a doua parte a acestui articol.
În ultimii ani atenția se îndreaptă mai mult spre posibilele aplicații ale acestor pulsuri ultrascurte, care sunt reproductibile, și sunt generate zilnic în marile laboratoare laser.
Ce ar fi dovadă mai concretă a aplicabilității pulsurilor ultrascurte, decât cei trei piloni ELI? ELI = Extreme Light Infrastructure este o infrastructură pan-europeană, care are trei locații, fiecare pilon axat pe diferite domenii de aplicații. ELI-BL (Beamline) se află lângă Praga, Cehia, și oferă fascicole laser la intensități relativiste pentru experimente de accelerare de particule sau generare de raze X cu laser. ELI-ALPS (Attosecond Light Pulse Sources) este la Szeged în Ungaria și este un „user facility” cu mai multe linii de măsurare care oferă pulsuri ultrascurte de la domeniul THz (1012 Hz) până la raze X (1019 Hz), la rate de repetiție mari pentru a facilita experimente pe probe foarte diluate sau de interes biologic. ELI-NP (Nuclear Physics) este la Măgurele și laserul de mare putere va fi folosit pentru experimente de fizică nucleară, procesele nucleare vor fi inițiate și studiate cu pulsuri extrem de puternice.
Toate cele trei facilități au în comun că dispun de laseri de extrem de mare putere (până la 1016 Watt) care produc pulsuri ultrascurte cu diferite proprietăți: variază lungimea de undă a pulsurilor (adică culoarea luminii emise), durata lor temporală (de la ~5 fs la ~100 fs), intensitatea maximă (1014 - 1023 W/cm2), rata de repetiție. Variază și geometria de focalizare, care la rândul ei determină proprietățile spațiale ale pulsurilor laser, și totodată mărimea laboratoarelor.
Infrastructurile de o asemenea anvergură sunt însă doar o parte a cercetărilor în domeniul laserilor în pulsuri ultrascurte și ultra-intense. Pe cealaltă parte se află tendința de miniaturizare a dimensiunii echipamentelor, acestea sunt denumite în comun „tabletop”, adică să se încadreze pe o masă optică într-un laborator de dimensiuni reduse. Un exemplu în acest sens este linia de cercetare de „photonic integrated circuits” (PIC).
Echipa Procese induse cu laser din INCDTIM Cluj-Napoca, condusă de CS I dr. Toșa Valer, are colaborări strânse, concretizate prin proiecte de colaborare și articole publicate în comun cu multe dintre facilitățile și laboratoarele mai sus-menționate.

Proiect pentru caracterizarea pulsurilor laser
Coordonăm un proiect important în colaborare cu ELI-NP intitulat „Caracterizarea și ajustarea pulsurilor laser prin experiment, software de reconstrucție și oglindă adaptivă” (acronim Pulse-MeReAd, perioada de desfășurare 2021-2024). În acest proiect abordăm o problemă de importanță fundamentală pentru toate laboratoarele (mici sau mari) de laseri: care este forma exactă – temporală/spectrală și spațială – a unui puls laser generat, apoi folosit în experimente? În introducere am zis că pulsurile laser ultrascurte conțin doar câteva oscilații ale câmpului electromagnetic. Ceea ce nu am zis, încă, este că forma câmpului laser de cele mai multe ori diferă de una sinusoidală. Pentru ilustrarea acestui comportament să vedem Figura1, unde am reprezentat forma temporală a unui puls curat (negru) alături de forma aceluiași (!) puls după ce acesta s-a propagat doar 1 mm în mediu de argon (roșu).



Oare de ce sunt atât de importante detaliile unui puls laser, încât îi dedicăm un proiect de cercetare? Aceste pulsuri laser sunt create pentru a fi folosite în interacțiune cu materia cu scopul de a studia structura și dinamica constituenților materiei (molecule, atomi, electroni, nuclee). Fie cea mai „simplă” posibilă interacțiune între un puls laser și un atom, aceasta va purta amprenta proprietăților instantanee ale pulsului. Mai tehnic vorbind, intensitatea și faza câmpului laser în momentul interacțiunii cu atomul determină crucial rezultatul interacțiunii. Ar fi un eșec total dacă am presupune că interacțiunea laser-atom are loc cu un puls precum cel negru din Figura 1. Rezultatele măsurătorilor experimentale nici nu s-ar asemăna cu cele așteptate. Așadar, cunoașterea exactă a formei de puls, atât în domeniul temporal cât și în domeniul spațial, are o importanță crucială în orice experiment și orice aplicație.
În proiectul Pulse-MeReAd ne propunem să dezvoltăm un instrument numeric rapid cu care se poate reconstrui forma completă temporală și spectrală (conținând amplitudine și fază) a pulsurilor laser ultrascurte obținute la ELI-NP. Există metode experimentale de caracterizare a pulsurilor, cum ar fi „frequency resolved optical gating” (FROG), iar ca rezultat se obțin imagini 2D complicate, denumite spectrograme, care sunt practic amprenta pulsului necunoscut. Noi dezvoltăm un software bazat pe deep neural networks (DNN) pentru reconstruirea completă a pulsurilor generate la ELI-NP. Construim un DNN care procesează ca input amprentele 2D, iar ca output de predicție furnizează amplitudinea și faza spectrală a pulsului necunoscut. În Figura 2 ilustrăm schematic principiul metodei propuse. Scopul nostru este să demonstrăm fezabilitatea științifică și să validăm proprietățile critice prin experimente de tip proof-of-concept, adică să antrenăm DNN-ul pentru reconstruirea pulsurilor din spectrogramele obținute în măsurătorile experimentale la ELI-NP.




Proiectul H2020: X-PIC
Un proiect H2020 foarte interesant în care suntem implicați ca parteneri se intitulează „eXtreme ultraviolet to soft-X-ray Photonic Integrated Circuits”, pe scurt X-PIC. Acesta este un proiect de tip FET (Future and Emerging Technologies) si este dedicat cercetării fundamentale. Partenerii în acest proiect ambițios sunt Politecnico de Milano (coordonator), CNR Italia, INCDTIM România, C5 Photonics GmbH Germania, perioada de desfășurare este 2021-2025. Scopul principal al proiectului este realizarea unui instrument miniaturizat pentru obținerea de radiație coerentă în XUV și raze X prin explorarea procesului de HHG în mediu de gaz rar într-o geometrie aparte. Conceptul de bază este acela de „lab-on-chip”: se vor fabrica micro-chipuri cu micro-canale săpate în material dielectric, umplute cu gaz, prin care vor propaga pulsuri laser în infraroșu. În aceste ghiduri de undă miniaturizate se vor genera armonice de ordin foarte înalt, astfel încât se va atinge domeniul spectral „water window” (~300 eV). Eficiența procesului de generare de armonice este mai ridicată în fibră decât în spațiu liber, iar prin modularea controlată a diametrului fibrei, precum și a presiunii gazului de interacțiune, se poate obține o creștere suplimentară a fluxului de radiații XUV. Mărimea unui astfel de dispozitiv X-PIC va fi de ordinul milimetrilor! În Figura 3 arătăm o ilustrație stilizată a schemei de principiu a echipamentului propus X-PIC.
Proiectul X-PIC va furniza un echipament compact și ieftin ca sursă de radiații XUV și raze X-moi. Echipamentul va putea fi folosit în orice laborator farmaceutic, de biotehnologie, în industria semiconductorilor, sau de companii care produc chimicale. O utilizare foarte promițătoare va fi în medicină, chiar în protocoale clinice.



Rolul INCDTIM în procesul de dezvoltare a acestui „lab-on-chip” este de a construi modelul matematic și de a efectua calculele numerice care descriu propagarea pulsurilor în ghiduri de undă si apoi de a rezolva problema generării de armonice în acest mediu. O parte semnificativă și cu impact direct va fi găsirea configurațiilor optime de grosimea canalelor, modularea diametrului și modularea densității gazului prin canale pentru a maximiza fluxul de fotoni XUV care se poate obține.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite